雙選擇信道下OFDM系統(tǒng)中信號檢測算法研究.pdf

1、多徑傳播引起信道的頻率選擇性衰落導(dǎo)致信號在接收端產(chǎn)生符號間干擾，極大限制了通信速率的提升。為了消除頻率選擇性衰落的影響，眾多技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)采用了具有抗多徑能力強(qiáng)、頻譜利用率高等優(yōu)點(diǎn)的正交頻分復(fù)用(Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing，OFDM)技術(shù)。隨著人們對通信質(zhì)量需求的不斷增長，不但要求OFDM系統(tǒng)在靜止或低速運(yùn)動場景下具有優(yōu)越的通信性能，還要求在終端高速移動場景下表現(xiàn)出良好的特性。然而信道在

2、具有頻率選擇性衰落的同時，終端高速移動造成的多普勒效應(yīng)導(dǎo)致信道產(chǎn)生時間選擇性衰落。在這種雙選擇信道下，具有不同多普勒頻移的多條路徑疊加后形成多普勒擴(kuò)展，破壞了OFDM系統(tǒng)中載波間的正交性，從而產(chǎn)生載波間干擾(Inter-Carrier Interference，ICI)，給OFDM系統(tǒng)的信號檢測帶來挑戰(zhàn)。一方面，當(dāng)多普勒頻移較大時，現(xiàn)有檢測算法性能不理想;另一方面當(dāng)OFDM系統(tǒng)子載波個數(shù)較大時，現(xiàn)有的檢測算法在實(shí)際系統(tǒng)中難以實(shí)現(xiàn)且檢測效

3、率低下。本文針對該問題，對雙選擇信道下OFDM系統(tǒng)中的信號檢測算法進(jìn)行深入的分析和研究，主要研究內(nèi)容與貢獻(xiàn)包括以下幾個方面:
　　1.雙選擇信道下OFDM系統(tǒng)中的ICI特性分析方面。首先基于循環(huán)前綴(CyclicPrefix, CP)的OFDM系統(tǒng)模型分析了多徑傳播和多普勒效應(yīng)導(dǎo)致信道產(chǎn)生雙選擇性衰落的原因，給出了兩種最為經(jīng)典的雙選擇信道建模方法:抽頭時延模型和基擴(kuò)展模型。然后重點(diǎn)分析并推導(dǎo)了雙選擇信道下OFDM系統(tǒng)中多普勒擴(kuò)展產(chǎn)

4、生ICI的過程。從信號干擾比(Signal to Interference Ratio，SIR)和信號干擾噪聲比(Signal toInterference plus Noise Ratio，SINR)兩個角度研究了ICI對OFDM系統(tǒng)帶來的影響。最后介紹了后續(xù)章節(jié)采用的雙選擇信道仿真模型，為后續(xù)研究有效抑制ICI的檢測算法奠定基礎(chǔ)。
　　2.雙選擇信道下OFDM系統(tǒng)中信號檢測算法的性能提升方面。分別提出了基于白化殘留ICI和噪聲

5、的最小均方誤差連續(xù)干擾消除(Minimum Mean Square ErrorSuccessive Interference Cancellation，MMSE-SIC)算法和基于過采樣OFDM系統(tǒng)的最優(yōu)線性連續(xù)檢測算法。兩種算法具體為:
　　(1)傳統(tǒng)檢測算法為了降低計(jì)算復(fù)雜度，對頻域信道矩陣進(jìn)行帶狀近似并將殘留ICI作為白噪聲處理，從而導(dǎo)致系統(tǒng)誤碼性能下降。針對該問題提出了一種基于白化殘留ICI和噪聲的MMSE-SIC算法。首

6、先通過分析頻域信道矩陣帶狀近似引起性能損失的原因，研究了帶狀近似后殘留ICI的相關(guān)性，并推導(dǎo)出了殘留ICI相關(guān)矩陣。利用該相關(guān)矩陣構(gòu)造白化矩陣，對殘留ICI和噪聲同時進(jìn)行白化。然后基于白化后的信號模型，利用MMSE準(zhǔn)則并結(jié)合連續(xù)干擾消除算法檢測每個子載波上的信號。仿真結(jié)果表明，在雙選擇信道下OFDM系統(tǒng)中，和傳統(tǒng)帶狀近似算法相比，所提出的MMSE-SIC檢測算法能夠顯著改善系統(tǒng)的誤比特率性能。
　　(2)基于過采樣OFDM系統(tǒng)的線

7、性合并方法雖然能夠以較低的復(fù)雜度獲得雙選擇信道帶來的多徑分集和多普勒分集增益，但對系統(tǒng)性能造成了較大的損失。針對該問題，提出一種基于過采樣OFDM系統(tǒng)的最優(yōu)線性連續(xù)檢測算法。該檢測算法基于接收信號的過采樣輸出以最大化SINR為準(zhǔn)則，建立了求解最優(yōu)線性檢測矩陣的優(yōu)化模型，并將該優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)特征值問題進(jìn)行求解，利用所獲得的最優(yōu)線性檢測矩陣結(jié)合連續(xù)檢測算法對每個子載波上的信號進(jìn)行檢測。仿真結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)的線性合并次優(yōu)接收方案，所提

8、方法能夠獲得更優(yōu)的系統(tǒng)誤碼性能，并且隨歸一化多普勒頻移和過采樣因子的增大，性能增益得到了進(jìn)一步提升。
　　3.雙選擇信道下OFDM系統(tǒng)中信號檢測算法的低復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)方面。傳統(tǒng)的低復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)方法均以系統(tǒng)的性能損失為代價，針對該缺點(diǎn)提出一種基于迭代求逆的信號檢測算法?；诮?jīng)典的MMSE連續(xù)檢測算法，首先從矩陣處理的角度出發(fā)，對信道矩陣和檢測矩陣進(jìn)行擴(kuò)展，然后建立了擴(kuò)展矩陣與原矩陣之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，在每次檢測中采用擴(kuò)展矩陣的迭代求逆代替原矩

9、陣的直接求逆。其中，首次擴(kuò)展矩陣的求逆可通過Greville遞歸求逆算法實(shí)現(xiàn)，后續(xù)擴(kuò)展矩陣的求逆可從上一次的計(jì)算結(jié)果中迭代獲取，不需要重復(fù)進(jìn)行矩陣求逆操作。仿真結(jié)果表明，提出方法在保持原算法性能的基礎(chǔ)上，大大降低了計(jì)算復(fù)雜度。從而實(shí)現(xiàn)了檢測算法中復(fù)雜度與誤碼性能之間的有效平衡。
　　4.現(xiàn)有關(guān)于4項(xiàng)加權(quán)分?jǐn)?shù)階傅里葉變換(4 Weighte-type Fractional FourierTransform,4-WFRFT)的研究，均

10、未考慮載波體制與信道狀態(tài)信息(Channel StateInformation，CSI)之間的匹配關(guān)系。針對該問題，提出一種雙選擇信道下基于4-WFRFT的混合載波體制的最優(yōu)階選取算法。首先基于所建立的4-WFRFT信號模型，推導(dǎo)出了該模型下接收信號的載波干擾比(Carrier to Interference Ratio，CIR)，然后以最大CIR為準(zhǔn)則，對最優(yōu)階4-WFRFT變換因子進(jìn)行求解。根據(jù)所獲得的最優(yōu)階變換因子對發(fā)送信號進(jìn)行4